Evrim Ağacı
Reklamı Kapat

Yapay Yapraklar, Fotosentez Verimliliği, Yakıt Hücreleri ve Enerji Üretimi

Yapay Yapraklar, Fotosentez Verimliliği, Yakıt Hücreleri ve Enerji Üretimi
Reklamı Kapat

Bu yazı, Evrim Ağacı'na ait, özgün bir içeriktir. Konu akışı, anlatım ve detaylar, Evrim Ağacı yazarı/yazarları tarafından hazırlanmış ve/veya derlenmiştir. Bu içerik için kullanılan kaynaklar, yazının sonunda gösterilmiştir. Bu içerik, diğer tüm içeriklerimiz gibi, İçerik Kullanım İzinleri'ne tabidir.

Fotosentez, evrimsel süreçte ortaya çıkmış en ilginç biyokimyasal süreçlerden birisidir. Aslında Güneş gibi bir kaynaktan sürekli olarak enerji alan bir gezegende (Dünya), enerji üretimine muhtaç olan varlıklarda (canlılar) fotosentez gibi bir besin/enerji üretim yönteminin evrimleşmemesi şaşırtıcı olurdu doğrusu... Dolayısıyla fotosentezin varlığı çok da ilginç olmamalı. Ancak süreç öylesine ilgi çekici ve detaylı ki, bilim insanları çok uzun yıllardır fotosentezin nasıl evrimleştiğini anlamaya çalışıyorlar. Bugüne kadar birçok başarılı açıklama da yapıldı; çünkü fotosentezden daha az verimli olan, onun "atası" olabilecek, fotosentez sürecine oldukça benzeyen ancak bazı noktalarını barındırmayan başka biyokimyasal süreçler tespit edildi. Fotosentezin evrimini ve bunun canlılık tarihine etkisini buradaki makalemizde incelemiştik.

Ancak tabii ki sürekli bizi enerji bombardımanına tutan Güneş'ten besin veya enerji üretebilmek sadece temel bilimle uğraşan bilim insanlarının ilgisini çekmemektedir. Mühendisler de, bundan kendilerine pay çıkarmak için biyologlara göre kısmen daha az süredir de olsa, harıl harıl çalışmaktadırlar. "Yapay Yaprak" ya da "Yapay Fotosentez" olarak bilinen mühendislik ürünleri, her geçtiğimiz sene daha da yüksek verimli olacak şekilde üretilebilmektedir. Örneğin 2015 senesinde Melbourne'deki Monash Üniversitesi bilim insanlarının ürettiği yapay yapraklar, suyu ve Güneş ışığını kullanarak hidrojen ve oksijen üretmeyi başarmaktadır. "İyi de, fotosentezde glikoz üretilir!" diyebilirsiniz. Mühendislerin amacı motomot bir şekilde fotosentezi taklit ederek glikoz üretmek değil. Fosil yakıtların (petrol gibi) yerini alacak, Güneş enerjisine dayanan ancak verimliliği yüksek olan yakıt hücreleri üretmek... Bu yakıt hücreleri, Dünya'ya akıl almaz zararlar veren petrol yerine, su kullanacaktır! Daha doğrusu suyun elektroliz edilmesi sayesinde ortaya çıkan hidrojeni... Ancak hidrojen üretmek çok zordur ve çok düşük verimlilikle başarılabilmektedir. İşte bu nedenle fotosentez, mühendisler için önemli bir modeldir, bir araçtır. Onların asıl amacı, suyla çalışan yakıt hücreleri sayesinde bizi fosil yakıtlardan tamamen kurtarıp, bunu yaparken verimliliği fosil yakıtlarla çalışan arabalardaki kadar yüksek tutabilmektir. 

Verimlilik, mühendislikte neredeyse "her şey" olduğu için, bir verimlilik tablosu çıkarmak, fotosentez verimliliğinin ne kadar önemli olduğunu anlamanıza katkı sağlayacaktır.Verimlilik, ya da daha spesifik olarak enerji verimliliği, enerji üreten makinalardan aldığımız enerji çıktısının, o makinaların çalışması için harcadığımız enerjiye oranıdır. Ne kadar az enerji harcayarak, ne kadar fazla enerji üretebilirsek, makinamız o kadar verimlidir. Bu verimliliği etkileyen en büyük faktörler arasında tabii ki makinanın çalışmasında harcanan enerji miktarı ve makinanın kendi içerisindeki enerji kayıpları bulunur.

Aşağıda, her bir teknoloji ürününün ortalama verimlilik değerleri verilmiştir. Verimlilik ne kadar yüksekse, o kadar iyidir. Ancak tabii ki verimliliğin yüksekliğine karşılık uygulanabilirlik, maliyet, kullanılabilir alanlar, vb. kriterler işleri değiştirebilmektedir. Fakat gelin şimdilik sadece verimliliğe odaklanalım ve insanlığın ürettiği çeşitli enerji üretim mekanizmalarının ne kadar verimlilikle çalıştığına bakalım (bunlar yaklaşık ortalama değerlerdir ve çeşitli faktörlere göre değişebilir):

• Büyük Hidroelektrik Santral: %95

• Gel-Gitten Enerji Üretimi: %90

• Küçük Hidroelektrik Santral: %90

• Eriyik Karbonatlı Yakıt Hücresi: %55

• Sterling Motoru: %50

• Katı Oksitli Yakıt Hücresi: %47

• Kömür Santralleri: %45

• Petrol Santralleri: %42

• Proton Değişim Zarlı Yakıt Hücresi: %40

• Fosforik Asitli Yakıt Hücresi: %40

• Gaz Türbini: %38

• Nükleer Santral: %36

• Rüzgar Türbini: %33

• Biyokütle: %33

• İçten Yanmalı Motor (Dizel): %32

• Lağım Atıkları: %26

• İçten Yanmalı Motor (Benzin): %24

• Mikrotürbin: %22

• Termal (Güneş): %20

• Fotovoltaik (Güneş): %15

• Jeotermal: %15

• Okyanustan Termal Dönüşüm: %5 

İşte normalde "yakıt hücreleri" olarak bilinen ve hidrojenle çalışan enerji kaynakları uzun bir süredir mühendisliğin ilgi alanıdır. Çünkü bazı modifikasyonlar sayesinde verimlilik %50'yi aşabilmektedir. Arabalarımızda şu anda yaygın olarak kullanılan ve benzin yakarak çalışan içten yanmalı motorların içler acısı %24'lük verimlilik oranı bu nedenle kolaylıkla yenilebilir; ancak tabii ki şu anda halihazırda yerleşik olan sistemi açık ara farkla yenebilecek ve aynı kolaylıkla uygulanabilecek sistemler geliştirilmelidir (ve tabii, bol miktarda da cesaret, girişimcilik, ataklık gerekmektedir). 

Bu hedefe en fazla yaklaşmayı başarabileceği düşünülen yakıt hücrelerinin bazı sorunları bulunmaktadır: örneğin ihtiyaç duyulan yakıt tankları ve genel olarak mekanizmalar yeterli enerji üretebilmek için oldukça geniş yer kaplayabilmektedir. Bir diğer sorun, yakıt olarak kullanılacak hidrojenin üretilmesi, taşınması ve güvenle depolanmasıdır. Bunun haricinde de bazı problemler bulunmaktadır. Ancak mühendisler, durmaksızın bu problemleri aşmak için yeni teknolojiler üretmektedirler. Biyomimikri, yani doğadan esinlenen ürünler, bu alanda bizim en büyük yardımcımızdır. Çünkü son birkaç asırdır var olan mühendislik teknolojimizin, son 4 milyar yıldır gezegenimizde çalışan evrimden ve ürünlerinden öğreneceği bol miktarda bilgi vardır. Bunlardan esinlenen mühendisler, kendi zekalarını da işin içine katarak son derece etkili ürünler üretebilmektedirler.

İşte yakıt hücrelerinde kullanılacak hidrojenin üretilmesi için de yaprakları taklit etmek ve fotosentezi kullanmak oldukça ilginç bir yaklaşımdır. Amaç besin üretmek değil de, hidrojen üretmek olduğu için süreç birazcık değiştirilmektedir. Bunun sonucunda, Monash Üniversitesi'nden araştırmacıların ürettiği yapay yaprakların verimliliği, son birkaç yılda %18'den %22'ye kadar yükselmiştir. Bu, yapay yapraklarda bugüne kadar görülen en yüksek verimliliktir. Elbette daha geliştirilmesi gerekmektedir; ancak bu haliyle bile bir ticari ürün haline getirmek mümkün gözükmektedir. Baş araştırmacı Dr. Leone Spicca şöyle söylüyor:

"Suyun elektrokimyasal ayrımı (elektroliz), bize çok ucuz, temiz ve yenilenebilir bir ürün olan hidrojeni yakıt olarak verebilir. Araştırmamızda yaptığımız büyük atılım önemlidir; çünkü bu tür bir yakıtın gerçek olabilmesine bir adım daha yaklaşmamızı sağlamıştır. 21. yüzyılın en büyük problemlerinden birisi, atık maddeler üretmeksizin enerji üretebilmektir. Yapay yapraklarımız sayesinde üretilen hidrojen, doğrudan yakıt hücrelerinde yakıt olarak kullanılabilir. Yakıt hücrelerinde üretilen elektriği kullanan arabalar birden fazla üretici tarafından yavaş yavaş satılmaya başlamıştır. Hidrojen, evlerde bile kullanılabilecek, temiz ve etkili bir yakıttır."

Gerçekten de, özellikle çevreye en fazla zarar veren ülkelerden birisi olan ABD'de Barack Obama, 2050 yılına kadar emisyonların (atık gazların) %80 oranında azaltılmasını sağlayacak projeleri sinyallemiştir. Eğer yapay yapraklar hayatımıza girebilecek olursa, bu hedefe ulaşmak tüm ülkeler için çok daha kolay olacaktır.

Peki, son olarak, insan şunu merak etmiyor değil: bu yapay yapraklarımızın verimliliği, gerçek ve biyolojik yaprakların verimliliğine kıyasla nasıldır? Tabii ki, iki yaprak birebir aynı işi yapmamaktadır; dolayısıyla kıyaslamak birazcık zor. Ancak yine de gerçek yaprakların verimliliği, en azından 2.4 milyar yıldır evrimleşmekte olan fotosentezin evrim gibi kör ve öngörüsüz bir doğa yasasıyla ne seviyeye ulaşabildiği hakkında fikir verecektir. Böylece, insan mühendisler tarafından üretilen mekanizmaların ne kadar etkili olduğunu anlamamız kolaylaşabilecektir.

Güneş'ten gelen ışığın sadece %45-53'ü arası bitkilerin fotosentez için kullanabilecekleri aralıktadır. Bu nedenle, Güneş ışığından fotosentez yoluyla elde edilebilecek enerjinin maksimum verimliliği teorik olarak %11'dir. Ancak bitkiler, kullanabilecekleri Güneş enerjisinin de tamamını kullanamazlar. Dolayısıyla ortalama bir bitkinin fotosentez verimliliği (ya da fotosentetik verimliliği) teorik olarak %3-6 arasında olmalıdır! Neden?

Güneş'ten gelen %100'lük ışığın %47'si biyolojik olarak kullanılamazdır; bu nedenle geriye %53 kalır. Bu %53'lük kısım, 400-700 nm dalgaboyu aralığındadır ve fotosentez için uygundur. Ancak bitki yaprakları ve klorofilleri kusursuz değildir; tam tersine, evrimin kusurlu ama iş gören yapıları olarak ciddi anlamda kayıplara sahiptirler. Işık emilimi sırasında ışığın %30'u daha kaybedilir. Geriye foton enerjisi yaprak tarafından emilebilmiş olan %37 ışık kalır. Klorofiller içerisinde de bol miktarda kayıp vardır. Bu kayıpların büyük bir kısmı, klorofilin duyarlı olduğu aralık ile düşen ışığın dalgaboyunun uyumsuzluğundan kaynaklanır. Böylece %24 kayıp daha yaşanır; geriye baştaki ışığın %28.2'si kalır. Bu, klorofil tarafından toplanan Güneş enerjisi oranıdır. Ancak klorofil içerisinde süregelen biyokimyasal tepkimelerin de her biri, mükemmel olmayan, düşük verimliliğe sahip (ama bitkinin hayatta kalmasına yetecek) tepkimelerdir. Örneğin fotosentezin en kritik adımlarından biri olan ATP ve NADPH'ın d-glikoza çevrimi %32 verimlilikle yapılır. Bu nedenle şekere doğrudan döndürülen Güneş enerjisi oranı %9'a düşer. Fakat burada da kalmamaktadır. Bu şekerin hepsi "net şeker" değildir; bitki, kendisini yaşatabilmek için depoladığı enerjiyi harcamak zorundadır. İşte bu noktada da %35-40 oranında kayıplar yaşanır. Bunların çoğu Karanlık Fotosentez Tepkimeleri ve foto-solunum için harcanır. Böylece geriye teorik olarak %5.4'lük bir verimlilik kalır. Hata payları ile birlikte bu %3-8 arasında kalmaktadır.

Halbuki pratikte bu değerler çok daha düşüktür! Bitkilerin fotosentez aracılığıyla Güneş ışığını besine dönüştürebilme verimliliği %0.1-2 arasındadır. Zirai ürünlerde bu %1-2'ye çıkmaktadır. Bilinen en verimli fotosentez ise şeker kamışındadır ve sadece %7-8 arasıdır! 

2.4 milyar yıldır evrimsel süreç dahilinde gelişen ve değişen fotosentez süreci, doğanın kör, bilinçsiz ve amaçsız evrim yasası sayesinde sadece %3 civarında bir verimliliğe ulaşabilmiştir. Bu bakımdan, insan mühendislerinin bilinçli, amaçlı, hedef-odaklı ürünlerinin başarısı çok daha iyi anlaşılabilmektedir. Mühendislik, evrimsel süreçlerle kademeli olarak ortaya çıkan ürünlerin, tüm (ya da çoğu) ara basamaklarını atlayarak doğrudan sonuca varma işidir. Bu sayede kuşların havalanması yüz milyonlarca yıl, insanların havalanması teknolojinin doğuşundan itibaren sadece birkaç asır almıştır. Elbette, ara basamakların atlaması fotosentez örneğinde pek olmasa da, kanat tasarımı gibi konularda verimlilik düşüşlerine neden olabilmektedir. Bu yüzden doğa, mühendisleri birçok konuda yenmektedir. Fakat insanlar olarak bizlerin doğa kadar engin zamanı ve kaynağı yok. Bu nedenle mühendisliğimiz var. Bu nedenle durmaksızın doğadan öğrenmeye ve ondan daha hızlı bir şekilde sonuçlara ulaşmaya çalışıyoruz.

Bu İçerik Size Ne Hissettirdi?
  • Muhteşem! 0
  • Tebrikler! 0
  • Bilim Budur! 0
  • Mmm... Çok sapyoseksüel! 0
  • Güldürdü 0
  • İnanılmaz 0
  • Umut Verici! 0
  • Merak Uyandırıcı! 0
  • Üzücü! 0
  • Grrr... *@$# 0
  • İğrenç! 0
  • Korkutucu! 0
Kaynaklar ve İleri Okuma
  • MPower UK. Energy Efficiency. (20 Mayıs 2019). Alındığı Tarih: 20 Mayıs 2019. Alındığı Yer: MPower UK | Arşiv Bağlantısı
  • IFLS. 'Artificial Leaf' Reaches Best Level Of Solar Energy Efficiency Yet. (20 Mayıs 2019). Alındığı Tarih: 20 Mayıs 2019. Alındığı Yer: IFLS | Arşiv Bağlantısı
  • NARCIS. The Green Solar Collector; Converting Sunlight Into Algal Biomass. (20 Mayıs 2019). Alındığı Tarih: 20 Mayıs 2019. Alındığı Yer: NARCIS | Arşiv Bağlantısı
  • D. O. Hall, et al. Photosynthesis. (24 Haziran 1999). Alındığı Tarih: 20 Mayıs 2019. Alındığı Yer: Google Books | Arşiv Bağlantısı
  • Wikipedia. Photosynthetic Efficiency. (20 Mayıs 2019). Alındığı Tarih: 20 Mayıs 2019. Alındığı Yer: Wikipedia | Arşiv Bağlantısı

Evrim Ağacı'na her ay sadece 1 kahve ısmarlayarak destek olmak ister misiniz?

Şu iki siteden birini kullanarak şimdi destek olabilirsiniz:

kreosus.com/evrimagaci | patreon.com/evrimagaci

Çıktı Bilgisi: Bu sayfa, Evrim Ağacı yazdırma aracı kullanılarak 24/10/2020 01:35:13 tarihinde oluşturulmuştur. Evrim Ağacı'ndaki içeriklerin tamamı, birden fazla editör tarafından, durmaksızın elden geçirilmekte, güncellenmekte ve geliştirilmektedir. Dolayısıyla bu çıktının alındığı tarihten sonra yapılan güncellemeleri görmek ve bu içeriğin en güncel halini okumak için lütfen şu adrese gidiniz: https://evrimagaci.org/s/3858

İçerik Kullanım İzinleri: Evrim Ağacı'ndaki yazılı içerikler orijinallerine hiçbir şekilde dokunulmadığı müddetçe izin alınmaksızın paylaşılabilir, kopyalanabilir, yapıştırılabilir, çoğaltılabilir, basılabilir, dağıtılabilir, yayılabilir, alıntılanabilir. Ancak bu içeriklerin hiçbiri izin alınmaksızın değiştirilemez ve değiştirilmiş halleri Evrim Ağacı'na aitmiş gibi sunulamaz. Benzer şekilde, içeriklerin hiçbiri, söz konusu içeriğin açıkça belirtilmiş yazarlarından ve Evrim Ağacı'ndan başkasına aitmiş gibi sunulamaz. Bu sayfa izin alınmaksızın düzenlenemez, Evrim Ağacı logosu, yazar/editör bilgileri ve içeriğin diğer kısımları izin alınmaksızın değiştirilemez veya kaldırılamaz.

Reklamı Kapat
Kategoriler ve Etiketler
Tümünü Göster
Güncel
Karma
Agora
Instagram
Transkripsiyon
Tehlike
Ağız
Bebek
Wuhan Koronavirüsü
Doktor
İnsanlar
Maskeler
Primatlar
Genom
Maymun
Ölümden Sonra Yaşam
Evrim Ağacı Duyurusu
Enzim
Su
Obstetrik
Yaşamın Başlangıcı
Rna
Kuşlar
Mantar
Nobel Ödülü
Elektrik
Primat
Haber
Hasta
Daha Fazla İçerik Göster
Daha Fazla İçerik Göster
Reklamı Kapat
Reklamsız Deneyim

Evrim Ağacı'nın çalışmalarına Kreosus, Patreon veya YouTube üzerinden maddi destekte bulunarak hem Türkiye'de bilim anlatıcılığının gelişmesine katkı sağlayabilirsiniz, hem de site ve uygulamamızı reklamsız olarak deneyimleyebilirsiniz. Reklamsız deneyim, Evrim Ağacı'nda çeşitli kısımlarda gösterilen Google reklamlarını ve destek çağrılarını görmediğiniz, daha temiz bir site deneyimi sunmaktadır.

Kreosus

Kreosus'ta her 10₺'lik destek, 1 aylık reklamsız deneyime karşılık geliyor. Bu sayede, tek seferlik destekçilerimiz de, aylık destekçilerimiz de toplam destekleriyle doğru orantılı bir süre boyunca reklamsız deneyim elde edebiliyorlar.

Kreosus destekçilerimizin reklamsız deneyimi, destek olmaya başladıkları anda devreye girmektedir ve ek bir işleme gerek yoktur.

Patreon

Patreon destekçilerimiz, destek miktarından bağımsız olarak, Evrim Ağacı'na destek oldukları süre boyunca reklamsız deneyime erişmeyi sürdürebiliyorlar.

Patreon destekçilerimizin Patreon ile ilişkili e-posta hesapları, Evrim Ağacı'ndaki üyelik e-postaları ile birebir aynı olmalıdır. Patreon destekçilerimizin reklamsız deneyiminin devreye girmesi 24 saat alabilmektedir.

YouTube

YouTube destekçilerimizin hepsi otomatik olarak reklamsız deneyime şimdilik erişemiyorlar ve şu anda, YouTube üzerinden her destek seviyesine reklamsız deneyim ayrıcalığını sunamamaktayız. YouTube Destek Sistemi üzerinde sunulan farklı seviyelerin açıklamalarını okuyarak, hangi ayrıcalıklara erişebileceğinizi öğrenebilirsiniz.

Eğer seçtiğiniz seviye reklamsız deneyim ayrıcalığı sunuyorsa, destek olduktan sonra YouTube tarafından gösterilecek olan bağlantıdaki formu doldurarak reklamsız deneyime erişebilirsiniz. YouTube destekçilerimizin reklamsız deneyiminin devreye girmesi, formu doldurduktan sonra 24-72 saat alabilmektedir.

Diğer Platformlar

Bu 3 platform haricinde destek olan destekçilerimize ne yazık ki reklamsız deneyim ayrıcalığını sunamamaktayız. Destekleriniz sayesinde sistemlerimizi geliştirmeyi sürdürüyoruz ve umuyoruz bu ayrıcalıkları zamanla genişletebileceğiz.

Giriş yapmayı unutmayın!

Reklamsız deneyim için, maddi desteğiniz ile ilişkilendirilmiş olan Evrim Ağacı hesabınıza üye girişi yapmanız gerekmektedir. Giriş yapmadığınız takdirde reklamları görmeye devam edeceksinizdir.

Destek Ol
Türkiye'deki bilimseverlerin buluşma noktasına hoşgeldiniz!

Göster

Şifrenizi mi unuttunuz? Lütfen e-posta adresinizi giriniz. E-posta adresinize şifrenizi sıfırlamak için bir bağlantı gönderilecektir.

Geri dön

Eğer aktivasyon kodunu almadıysanız lütfen e-posta adresinizi giriniz. Üyeliğinizi aktive etmek için e-posta adresinize bir bağlantı gönderilecektir.

Geri dön

Close
“Bilgi, bir şeyleri parçalarına ayırıp, analiz etmekle gelir. Bilgelik ise parçaları birleştirmekle...”
John A. Morrison
Geri Bildirim Gönder